徐曉華,楊金利,周春蘭,周 肅,王文靜

(1.中國科學(xué)院電工研究所,中國科學(xué)院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.安徽華晟新能源科技有限公司,宣城 242000)

0 引 言

光伏發(fā)電是人們最普遍的利用太陽能的方法,也是近年來發(fā)展最快、最引人注目的太陽能應(yīng)用方向。太陽能電池作為能量轉(zhuǎn)換裝置直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,太陽能電池實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。對于這種商業(yè)化應(yīng)用的太陽能電池可分為兩大類,即晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。

光伏發(fā)電技術(shù)最有價(jià)值的特征之一是高的穩(wěn)定性,運(yùn)行壽命可達(dá)25～30年。在光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí),光伏組件的可靠性也吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。光伏組件在戶外運(yùn)行時(shí),不可避免地受到光照、溫度、濕氣、沙塵等因素的影響。盡管研究人員長期以來一直認(rèn)為光伏組件在戶外條件下運(yùn)行是非?？煽康?其衰減率和故障率也低,但它們?nèi)匀蝗菀资艿揭恍┦C(jī)制的影響,比如光致衰減、濕熱衰減、材料腐蝕、分層等,并且這些機(jī)制還會隨著時(shí)間延長共同降低組件的輸出功率[1-3]。在上述問題中,電勢誘導(dǎo)衰減(potential-inducted degradation, PID)在近年來變得越來越明顯,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致光伏組件在戶外運(yùn)行中出現(xiàn)大面積的漏電和功率衰減現(xiàn)象[4-6]。這種由PID所導(dǎo)致的功率衰減的案例,在國內(nèi)外均有發(fā)生[7]。比如,在2010年9月,意大利的Camania電站在安裝光伏組件后不久,部分組件的輸出功率開始出現(xiàn)衰減,初期功率衰減20%左右,但隨著這批光伏組件的繼續(xù)使用,其功率衰減最高達(dá)到了70%。在2011年10月,江蘇省鹽城市射陽光伏電站也出現(xiàn)了功率衰減現(xiàn)象,部分組件功率衰減達(dá)到49%～91%,給光伏電站帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另外,在2014年到2017年期間全國各地的一些分布式光伏屋頂、湖面電站也出現(xiàn)過大面積的功率衰減現(xiàn)象。

由于早期對該現(xiàn)象的重視程度不夠,業(yè)內(nèi)也一直沒有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn),在對光伏組件可靠性預(yù)測中沒有能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)PID現(xiàn)象的存在和發(fā)展相對應(yīng)的解決方案,從而使該問題長期存在。因此,太陽能電池的PID現(xiàn)象所導(dǎo)致的功率衰減問題及背后的機(jī)理成因需要引起足夠的重視。

1 PID現(xiàn)象的產(chǎn)生及主要特征

太陽能電池的PID現(xiàn)象通常是指太陽能電池組件在被施以較高電壓后,其組件輸出功率會較快衰減[8]。在實(shí)際運(yùn)行中,為了保證太陽能電池組件滿足對負(fù)載供電的要求,往往需要把單個(gè)組件通過串聯(lián)、并聯(lián)的方式組裝成太陽能電池陣列。然而,在這種具有高電壓的太陽能電池陣列中,單塊光伏組件與地面之間容易產(chǎn)生較高的電勢差。在電勢差、溫度和濕度等因素的影響下,這種PID現(xiàn)象會導(dǎo)致太陽能電池組件的輸出功率降低,從而影響整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的性能[9]。1989年,太陽能電池的PID現(xiàn)象就已被Ross等[10]初次提及過,他們認(rèn)為電壓和電流會影響非晶硅(a-Si)和碲化鎘(CdTe)薄膜組件的可靠性,但當(dāng)時(shí)并未形成PID體系。而在2005年,Swanson等[11]利用SunPower公司的采用SiO2鈍化n型硅片的指交叉背接觸(interdigitated back contact, IBC)太陽能電池,首次在太陽能電池組件中發(fā)現(xiàn)了PID現(xiàn)象并開展了相關(guān)研究。

PID現(xiàn)象具有兩個(gè)比較突出的特征[12]:1)迅速性,一旦PID發(fā)生,短短數(shù)月就會使得組件性能發(fā)生非常大的削減,這是最重要的一個(gè)特征,所以需要重視起來;2)PID現(xiàn)象與太陽能電池材料、太陽能電池結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生PID的條件具有密切聯(lián)系[2,13]。

2 太陽能電池中的PID現(xiàn)象成因

對于不同結(jié)構(gòu)的太陽能電池,其內(nèi)部的PID機(jī)制是不一樣的。甚至對于同一類型的太陽能電池,當(dāng)受到的環(huán)境應(yīng)力條件不一致時(shí),也可能出現(xiàn)不同的PID機(jī)制。常見的PID機(jī)制包括漏電型PID(shunting-type PID, PID-s)[14]、極化型PID(polarization-type PID, PID-p)[15-16],以及腐蝕型PID(corrosion-type PID, PID-c)[17]。其中,PID-s與負(fù)偏壓下太陽能電池內(nèi)部的鈉離子(Na+)漂移所誘導(dǎo)的pn結(jié)漏電現(xiàn)象有關(guān)。而PID-p則與太陽能電池的表面鈍化特性衰減有關(guān),在PID現(xiàn)象中是最快的,無論是在正偏壓還是負(fù)偏壓條件下均可發(fā)生。在同樣的條件下,PID-p比PID-s更明顯。另外PID-c主要是由介電層、透明導(dǎo)電氧化物(transparent conductive oxide, TCO)薄膜或金屬接觸的電化學(xué)反應(yīng)而造成的腐蝕效應(yīng)。

2.1 晶體硅太陽能電池

依據(jù)晶體硅襯底摻雜類型,晶體硅太陽能電池可分為P型晶體硅太陽能電池和N型晶體硅太陽能電池。這兩類太陽能電池發(fā)生PID時(shí),其衰減機(jī)制是不同的。

在P型晶體硅太陽能電池組件中,PID-s是比較常見的PID機(jī)制。大量研究已經(jīng)表明,P型晶體硅太陽能電池組件中并聯(lián)電阻(Rsh)的降低[18-19]、雙二極管模型中暗飽和電流密度(J02)的增加與PID-s密切相關(guān)[20]。Hacke等[21]從PID現(xiàn)象背后的微觀機(jī)理出發(fā),認(rèn)為Na+是導(dǎo)致P型晶體硅太陽能電池PID-s的重要原因。另外,在光伏組件中,關(guān)于Na+的起源是比較明確的,Na+主要來源于鈉鈣玻璃蓋板。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,PID-s也會受到環(huán)境因素的影響。Hoffmann等[22]觀察到PID過程中,由Na+引發(fā)的漏電電流取決于溫度和濕度,并且衰減速率還會隨著溫度和濕度的增加而增大。Suzuki等[23]研究在高的偏置電壓下,鹽霧噴霧對晶體硅太陽能組件的電性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明鹽霧噴霧會加速晶體硅太陽能組件的PID現(xiàn)象。

在PID-s的機(jī)理研究方面,前人采用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)、電子束感應(yīng)電流(EBIC)測試及暗鎖相熱像法(DLIT)等表征手段來建立PID-s與Na+之間的聯(lián)系。如圖1所示,EBIC測試結(jié)果揭示太陽能電池發(fā)生PID時(shí),局域發(fā)生漏電現(xiàn)象。同時(shí),對發(fā)生PID的區(qū)域進(jìn)行ToF-SIMS測試,發(fā)現(xiàn)在P型單晶硅太陽能電池發(fā)生PID的氮化硅/晶體硅(SiNx/c-Si)界面存在Na+的累積現(xiàn)象。為了解釋P型單晶硅太陽能電池中出現(xiàn)PID-s的根本原因,多種理論模型已經(jīng)被提出。2012年,Bauer等[24]提出了解釋PID-s現(xiàn)象的第一個(gè)理論模型——反型層模型。根據(jù)他們提出的模型,帶正電的Na+在減反射層中積累,會吸引n+發(fā)射極中的電子,從而在減反射層中形成指向n+發(fā)射極的電場。在這種電場的作用下,會將局部的電子驅(qū)離,導(dǎo)致n+發(fā)射極出現(xiàn)局部的反型層,從n+變成p+,從而導(dǎo)致局部漏電的發(fā)生。但是這個(gè)模型卻有一定的局限性,他們計(jì)算出反型層中的負(fù)電荷密度達(dá)到-1×1015cm3,這在現(xiàn)實(shí)情況下可能并不會發(fā)生。且在他們所提出的PID模型中,對負(fù)電荷性質(zhì)的解釋也并不清晰。隨后,Naumann等[25]通過對這種Na+導(dǎo)致的PID-s進(jìn)行了更加詳細(xì)的機(jī)理分析,提出了新的機(jī)理解釋。在2013年,他們首次報(bào)道了晶體硅太陽電池中的堆垛層錯(cuò)與PID-s之間存在相互作用。同年,他們的另一個(gè)研究成果進(jìn)一步揭示了由PID-s導(dǎo)致的堆垛層錯(cuò)在晶體硅太陽能電池中會被Na+所修飾,并簡要介紹了相關(guān)的理論模型[26]。在2014年,Naumann等[27]深度揭秘了PID-s的產(chǎn)生機(jī)理。他們使用掃描透射電子顯微鏡(STEM)和能量色散X射線光譜(EDX)研究了PID-s,并觀察到晶體硅中的堆垛層錯(cuò)被Na+所污染,如圖2所示。可以看到,在PID-s過程中,堆垛層錯(cuò)從SiNx/c-Si界面通過pn結(jié)延伸到硅基體中。

圖1 單晶硅太陽能電池發(fā)生PID時(shí),高漏電區(qū)域的EBIC圖像(30 kV加速電壓)[27],斑點(diǎn)代表局域PID-s發(fā)生的區(qū)域,內(nèi)嵌圖為發(fā)生PID現(xiàn)象處Na+的ToF-SIMS強(qiáng)度分布Fig.1 EBIC image (30 kV accelerating voltage) of a monocrystalline silicon solar cell under PID, showing the high-leakage regions[27], each spot represents a region where localized PID-s has occurred, the inset shows the distribution of Na+ at the site of PID by ToF-SIMS

圖2 晶體硅太陽能電池中的堆垛層錯(cuò)圖[27]。(a)亮場下的TEM照片,代表單個(gè)PID-s的堆垛層錯(cuò),插圖代表c-Si中堆垛層錯(cuò)下部Na元素的EDX圖像;(b)～(d)STEM模式下SiNx/c-Si界面處Na、O、N元素的EDX圖像Fig.2 A stacking fault within crystalline silicon solar cells[27]. (a) A bright-field TEM image of a stacking fault representing a single PID-s, where the inset on the left is the Na-EDX map of the lower part of the stacking fault; (b)～(d) EDX mappings acquired in the STEM mode at the same stacking fault near the interface between c-Si and SiNx

圖3代表PID-s過程中Na+遷移的示意圖。當(dāng)晶體硅太陽能電池發(fā)生PID現(xiàn)象時(shí),玻璃中或其他外來雜質(zhì)中的Na+會在組件邊框與太陽能電池之間的強(qiáng)大電場的輔助下,進(jìn)入SiNx表面鈍化層,而SiNx層中的強(qiáng)電場使Na+向SiNx/c-Si界面漂移,并在超薄的SiOx界面層中積累,并且此處積累的Na+會進(jìn)入堆垛層錯(cuò)中。一旦Na+從SiOx界面層(天然氧化層)進(jìn)入堆垛層錯(cuò)中,它們將被n+發(fā)射極中的自由電子中和,從而允許更多的Na+進(jìn)入。

圖3 太陽電池的剖面圖示意圖,實(shí)心圓點(diǎn)代表Na+通過SiNx層,隨后擴(kuò)散進(jìn)入堆垛層錯(cuò)[27]Fig.3 Schematic drawing of a solar cell cross section and transport of Na+(solid dots) through the SiNx layer and subsequent diffusion into the stacking faults[27]

圖4為進(jìn)一步提出的PID-s的機(jī)理。當(dāng)Na進(jìn)入堆垛層錯(cuò)中,會被束縛在堆垛層錯(cuò)中并對其產(chǎn)生修飾作用,從而形成Na修飾的堆垛層錯(cuò)。而這種Na修飾的堆垛層錯(cuò)也導(dǎo)致了晶體硅的禁帶中產(chǎn)生相對應(yīng)的缺陷能級。這種缺陷的電學(xué)行為與缺陷的濃度有關(guān)。在PID-s缺陷中,如果在禁帶中存在高濃度的局域缺陷能級,相鄰缺陷能級軌道將會重合,可以進(jìn)行跳躍傳導(dǎo),正如圖4中的“process 1”所示。這個(gè)過程不需要熱激發(fā),因此導(dǎo)致在pn結(jié)之間形成了歐姆傳導(dǎo)。相反,從圖4中的“process 2”可以看到,當(dāng)缺陷濃度較低時(shí),這些缺陷能級會在耗盡區(qū)成為缺陷復(fù)合中心,引發(fā)載流子的復(fù)合,最終導(dǎo)致太陽能電池的J02和二極管理想因子(n2)增加。該過程需要熱激發(fā),所以導(dǎo)致了這個(gè)過程中電流-電壓(I-V)特性是非線性的。

圖4 Na+修飾的堆垛層錯(cuò)的能帶結(jié)構(gòu)圖[27]。雜質(zhì)濃度較高時(shí),PID-s缺陷處的電流方向?yàn)椤斑^程1”(process 1),而在相對較低的雜質(zhì)濃度時(shí),電流方向?yàn)椤斑^程2”(process 2)Fig.4 Proposed band structure along a decorated stacking fault[27]. The current flow across a PID-s defect is shown at high level concentration (process 1) and at relatively low local level concentration (process 2)

N型太陽能電池包括鈍化發(fā)射極背表面全擴(kuò)散(passivated emitter and rear totally-diffused, PERT)太陽能電池、鈍化發(fā)射極背部局域擴(kuò)散(passivated emitter and rear locally-diffused, PERL)太陽能電池、隧穿氧化物鈍化接觸(tunnel oxide passivating contacts, TOPCon)太陽能電池、叉指狀全背接觸(interdigitated back contact, IBC)太陽能電池,以及晶體硅異質(zhì)結(jié)(heterojunction with intrinsic thin layer, HJT)太陽能電池等。當(dāng)這些N型晶體硅太陽能電池發(fā)生PID現(xiàn)象時(shí),PID-p是主要的PID機(jī)制。PID-p現(xiàn)象第一次是在2005年Sunpower的N型IBC電池組件中觀察到,而后研究者們陸續(xù)開展了相關(guān)研究。PID-p在PERT、PERL、TOPCon、IBC太陽能電池均有發(fā)生。

PID-p完全不同于其他類型的PID機(jī)制。1)發(fā)生PID-p現(xiàn)象時(shí),太陽能電池的電學(xué)性能上主要表現(xiàn)為短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)的衰減[28]。比如,在N型PERT太陽能電池中,在PID后,PID-p使PERT太陽能電池的Jsc和Voc降低,但填充因子(FF)幾乎沒有衰減,這一點(diǎn)非常不同于在P型太陽能電池組件中觀察到的PID-s型衰減。2)PID-p的衰減速率極快,并不像PID-s和PID-c都需要更長的時(shí)間(從幾小時(shí)到幾十天)才能使太陽能電池輸出功率衰減。對于N型晶體硅太陽能電池來說,在85 ℃和1 000 V的負(fù)偏壓下可迅速衰減,衰減時(shí)間以秒計(jì)。甚至在低溫、低偏置電壓下也會出現(xiàn)PID-p衰減,對于小容量的光伏系統(tǒng)這種衰減也將成為巨大的隱患[13],這也說明PID-p在所有光伏系統(tǒng)中存在的普遍性。3)PID-p可以在任何極性的偏置電壓下發(fā)生,這取決于硅襯底前表面重?fù)诫s層的極性。例如,對于前表面n+重?fù)诫s層的N型IBC太陽能電池,其PID-p在正極性偏置電壓下發(fā)生。相反,在前表面為p+重?fù)诫s層的N型IBC太陽能電池,PID-p則在負(fù)極性的偏置電壓下發(fā)生[29]。

關(guān)于PID-p的產(chǎn)生機(jī)理,目前大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為PID-p是太陽能電池減反射層和鈍化層中電荷積累導(dǎo)致極化效應(yīng)破壞了晶體硅表面鈍化。Swanson等[10]認(rèn)為在N型IBC太陽能電池中施加正向偏置電壓,組件邊框和太陽能電池之間流動的漏電流所產(chǎn)生的負(fù)電荷會積累在SiNx層,導(dǎo)致太陽能電池前表面的n層少數(shù)載流子(空穴)增加,促進(jìn)了載流子在SiNx/c-Si界面處的復(fù)合。Bae等[29]發(fā)現(xiàn)加入一個(gè)負(fù)偏壓后,SiNx/SiO2界面的正電荷密度增加,從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了界面荷電積累的假設(shè)。后來,Hara等[28]通過外量子效率(external quantum efficiency, EQE)測試觀察到了短波段的EQE在PID之后出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,認(rèn)為這是c-Si的前表面載流子復(fù)合增強(qiáng)所致。

然而,在HJT太陽能電池中發(fā)生的PID現(xiàn)象卻不同于其他N型晶體硅太陽能電池。其PID現(xiàn)象背后的主要機(jī)制是PID-c,這種機(jī)制與Na相關(guān),涉及TCO薄膜層的腐蝕[30]。Yamaguchi等[31]在對HJT太陽能電池進(jìn)行PID時(shí),觀察到在負(fù)偏置電壓下其Jsc發(fā)生衰減,其中TCO薄膜層為摻鎢氧化銦(tungsten doped indium oxide, IWO)。通過對比光照I-V和暗I-V曲線發(fā)現(xiàn)HJT太陽能電池在負(fù)偏壓處理期間,暗I-V曲線并沒有發(fā)生改變,這證實(shí)了Jsc的衰減與HJT太陽能電池內(nèi)部載流子復(fù)合引起的損失無關(guān),而是和光學(xué)損失增加有關(guān)。隨后,結(jié)合X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)光譜分析PID前后IWO薄膜中銦(In)和鎢(W)的含量,結(jié)果表明PID后,In2O3被還原成了金屬In,而W原子的化學(xué)狀態(tài)幾乎保持不變,這表明HJT太陽能電池中的TCO層發(fā)生了化學(xué)上的改變。為了確認(rèn)PID過程中,Na+是否會進(jìn)入電池內(nèi)部,進(jìn)一步采用二次離子質(zhì)譜(SIMS)測試了電池中的Na+含量分布,結(jié)果表明Na+并未通過TCO進(jìn)入電池內(nèi)部。因此,Jsc的衰減主要與TCO層中被還原的In有關(guān)。

2.2 薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池也是光伏發(fā)電技術(shù)中的一個(gè)重要補(bǔ)充,比較常見的有碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)、非晶硅(a-Si)及鈣鈦礦(PSCs)等太陽能電池。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,當(dāng)薄膜太陽能電池接入光伏系統(tǒng)時(shí),在電池與地面之間較高的負(fù)偏壓影響下,薄膜太陽能電池也會出現(xiàn)PID現(xiàn)象,導(dǎo)致功率衰減[31-34]。

CdTe薄膜太陽能電池在目前市場中的份額僅次于晶體硅太陽能電池,其具有溫度系數(shù)低、弱光性能好等優(yōu)勢[35]。當(dāng)CdTe太陽能電池在光伏系統(tǒng)中發(fā)生PID時(shí),電池內(nèi)部主要的PID機(jī)制包括Na+導(dǎo)致的漏電行為、TCO腐蝕行為。Olsson等[36]對CdTe組件進(jìn)行了研究,他們發(fā)現(xiàn)在負(fù)偏壓下運(yùn)行的CdTe組件會出現(xiàn)功率衰減現(xiàn)象。同時(shí),他們也觀察到激光劃線的死區(qū)為Na+的輸運(yùn)提供了通道,Na+進(jìn)入硫化鎘(CdS)與CdTe界面或CdTe層,造成電池的并聯(lián)電阻降低,導(dǎo)致漏電發(fā)生,其衰減程度會隨著溫度、偏置電壓的升高而加劇。同時(shí)CdTe太陽能電池PID的嚴(yán)重程度也與其沉積條件、組件劃線工藝相關(guān)。Hacke等[37]通過原位暗I-V(DIV)測試方法研究CdTe組件的PID現(xiàn)象,從DIV曲線識別到CdTe組件中存在Na+導(dǎo)致的漏電、TCO腐蝕等PID機(jī)制引起組件功率衰減。另外,PID與濕度、溫度及組件接地方式相關(guān),他們在25 ℃的濕氣環(huán)境中觀察到了漏電現(xiàn)象,但隨著溫度升高,這種漏電導(dǎo)致的衰減會逐漸恢復(fù)。Liu等[38]采用透射電子顯微鏡(TEM)從微觀層面來研究不同PID衰減程度的CdTe太陽能電池組件。在衰減程度最大的CdTe太陽能電池中,Na+主要積累在CdS層及CdS/CdTe界面,離子濃度高達(dá)18%,這可能是導(dǎo)致CdTe太陽能電池衰減的原因。另外,他們也觀察到組件在PID后出現(xiàn)分層現(xiàn)象之處也存在高濃度的Na+,認(rèn)為這可能是導(dǎo)致TCO和玻璃襯底分層的原因,也為TCO腐蝕的機(jī)理解釋提供了有力支撐。

CIGS太陽能電池是一種高轉(zhuǎn)換效率的薄膜太陽能電池,當(dāng)前最高效率已達(dá)23.35%,具有較好的發(fā)展前景[39]。在這類薄膜太陽能電池中,PID現(xiàn)象的發(fā)生似乎與Na+作用導(dǎo)致的漏電更加相關(guān)。Fj?llstr?m等[40]對比了具有不同Na含量玻璃襯底的CIGS太陽能電池的PID行為,發(fā)現(xiàn)Na含量較高襯底對應(yīng)的CIGS太陽能電池的PID現(xiàn)象極其嚴(yán)重,并且Voc和FF的衰減很大。同時(shí),他們觀察到CIGS太陽能電池的CdS層和CIGS上層區(qū)域具有較高的Na濃度,指出CIGS光伏組件遭受PID的Na很可能來源于玻璃襯底,推測Na的介入導(dǎo)致了薄膜太陽能電池的輸出功率衰減,甚至對pn結(jié)也造成了影響。Muzzillo等[41]采用SIMS測試薄膜太陽能電池在PID前后pn結(jié)界面處Na含量,發(fā)現(xiàn)PID后的Na含量出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。他們認(rèn)為過量的Na會引起薄膜太陽能電池漏電和載流子復(fù)合。為此,Yamaguchi等[42]進(jìn)一步觀察到PID后,CIGS太陽能電池的二極管理想因子(n)從1.4增加到9,且Voc和FF的衰減較大,反而Jsc、Rsh和串聯(lián)電阻(Rs)幾乎沒有變化。他們認(rèn)為薄膜太陽能電池中載流子復(fù)合的增加可能是Na誘導(dǎo)產(chǎn)生的缺陷捕獲自由載流子,導(dǎo)致薄膜太陽能電池內(nèi)部的缺陷復(fù)合加重。

當(dāng)a-Si薄膜太陽能電池發(fā)生PID現(xiàn)象時(shí),其主要的衰減機(jī)制可能是PID-c。如圖5所示,a-Si薄膜太陽能電池組件在600 V負(fù)偏壓、“雙八五”條件下暴露200 h后,組件開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象(圖中條形狀區(qū)域?yàn)榘l(fā)生PID-c現(xiàn)象的區(qū)域)[43]。這種分層現(xiàn)象伴隨著PID現(xiàn)象而出現(xiàn),與PID具有密切聯(lián)系。Masuda等[44]認(rèn)為薄膜硅太陽能電池出現(xiàn)PID現(xiàn)象的根本原因并不是Na+遷移引起的漏電,而是與組件中出現(xiàn)的線性或點(diǎn)狀的分層有關(guān)。他們在對a-Si薄膜太陽能電池組件進(jìn)行PID處理310 h后,從電性能參數(shù)上并沒有觀察到并聯(lián)電阻的下降,推測這種PID現(xiàn)象不同于PID-s。并通過對光伏組件的外觀進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)了線性和點(diǎn)狀的分層現(xiàn)象。他們認(rèn)為線性形狀的分層可能發(fā)生在玻璃襯底/TCO之間的界面,而點(diǎn)狀形狀的分層可能發(fā)生在TCO/a-Si之間的界面,而從玻璃襯底中遷移來的Na+可能在玻璃襯底/TCO或TCO/a-Si之間的界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致這種分層現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖5 a-Si薄膜太陽能電池組件發(fā)生PID后的分層現(xiàn)象[43]Fig.5 Delamination of a-Si thin-film solar cell module after PID[43]

Carlson等[45]發(fā)現(xiàn)薄膜太陽能電池組件在戶外高溫高濕氣候下運(yùn)行時(shí),玻璃襯底與TCO界面的Na集聚及濕氣從組件邊緣進(jìn)入內(nèi)部,會與Na+共同作用導(dǎo)致薄膜太陽能電池中的TCO材料發(fā)生化學(xué)腐蝕并出現(xiàn)分層現(xiàn)象,而且這個(gè)過程不可逆。也就是說,薄膜太陽能電池發(fā)生PID-c現(xiàn)象時(shí),對其性能的影響是無法逆轉(zhuǎn)的,不像PID-c、PID-p這兩種PID機(jī)制那樣可以修復(fù)。詳細(xì)的機(jī)理解釋如下所示:

在PID-c中,TCO層腐蝕機(jī)理主要分為以下三個(gè)步驟[46]:

1)Na+還原反應(yīng)

Na++e-1?Na

(1)

2)形成具有還原性的H原子

H2O+Na→ΝaOH+H

(2)

3)與TCO薄膜發(fā)生氧化還原反應(yīng)

4H+SnO2→Sn+H2O

(3)

當(dāng)上述化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后,TCO被破壞。在這個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物中,Na不僅是電化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物,而且Na的積累也增加了界面處的機(jī)械應(yīng)力。一旦這種機(jī)械應(yīng)力達(dá)到一定值后,TCO薄膜開始出現(xiàn)裂紋,最終表現(xiàn)出分層現(xiàn)象。

至今為止,對薄膜太陽能電池PID現(xiàn)象的研究主要集中在CIGS、CdTe及a-Si薄膜太陽能電池中。對于鈣鈦礦太陽能電池的研究則比較少。鈣鈦礦太陽能電池是近年來的研究熱點(diǎn),盡管當(dāng)前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,但未來商業(yè)化批量生產(chǎn)后,其PID穩(wěn)定性也將會很重要。

在鈣鈦礦太陽能電池中,離子遷移和電荷積累是電池內(nèi)部存在的現(xiàn)象,這也導(dǎo)致了電池內(nèi)部遲滯效應(yīng)的存在[47]。當(dāng)鈣鈦礦太陽能電池在光伏系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí),同樣會面臨較高的偏壓問題,而這種離子遷移和電荷積累將有可能導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池的PID現(xiàn)象,從而降低其輸出功率。2019年,Carolus等[48]首次報(bào)道鈣鈦礦太陽能電池也會受到PID現(xiàn)象的影響。他們在溫度為60 ℃、濕度為60%及1 000 V負(fù)偏置電壓條件下觀察到鈣鈦礦太陽能電池達(dá)到了95%的效率衰減,且這種衰減主要與Jsc的減少有關(guān)。這種巨大的PID現(xiàn)象導(dǎo)致的效率衰減問題會對鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展造成阻礙,迫切需要解決。在同樣的條件下,Purohit等[49]嘗試新的鈣鈦礦太陽能電池,在PID后觀察到鈣鈦礦太陽能電池的效率衰減達(dá)到32%～72%。通過對電池外觀和光致發(fā)光(photoluminescence, PL)測試表征結(jié)果的分析,他們把這種衰減歸因于鈣鈦礦材料在這個(gè)條件下發(fā)生的分解和相分離。這個(gè)結(jié)果與Carolus等的結(jié)果對比,可以從側(cè)面反映出如果對鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,并且找到抑制鈣鈦礦材料的分解和相分離的方法,PID現(xiàn)象有望得到解決。

2.3 鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池

鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池是通過將鈣鈦礦太陽能電池與晶體硅太陽能電池進(jìn)行疊加而成的。鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池具備高效和低成本的優(yōu)點(diǎn),在未來光伏市場中極具競爭力。

如前文所述,PID現(xiàn)象是太陽能電池穩(wěn)定性評估的一個(gè)重要方面,對于鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池也不例外。然而,到目前為止,在鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池領(lǐng)域的PID研究工作卻很少,相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道也微乎其微。

2022年,沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)的De Wolf團(tuán)隊(duì)評估了鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池的PID穩(wěn)定性。他們發(fā)現(xiàn),在溫度為60 ℃、偏置電壓為-1 000 V的條件下運(yùn)行約24 h后,太陽能電池的效率衰減近乎50%。他們通過SIMS測試,在頂電池中發(fā)現(xiàn)了Na+,但結(jié)合透射電子顯微鏡中的EDX和電子能量損失譜(EELS)并沒有發(fā)現(xiàn)Na+在鈣鈦礦層和晶體硅底電池中的聚集。該鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)中采用碳-60(C60)作為電子傳輸層,他們推測Na+有可能是在電子傳輸層中聚集,因此這種衰減更有可能和鈣鈦礦頂電池相關(guān)[50]。隨著鈣鈦礦/晶體硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,其PID機(jī)制和抑制方法的研究也將是一個(gè)重要的論題。

3 PID現(xiàn)象的預(yù)防措施

為了防止太陽能電池組件出現(xiàn)PID現(xiàn)象,可以從太陽能電池、組件及系統(tǒng)自身三個(gè)方面著手:

1)已有研究表明,通過調(diào)整太陽能電池的工藝條件可以改善太陽能電池的PID現(xiàn)象。比如,在P型單晶硅PERC太陽能電池中,通過降低發(fā)射極方阻預(yù)防PID現(xiàn)象,因?yàn)檩^高的發(fā)射極表面電阻及表面電阻的不均勻性都容易造成PID現(xiàn)象。另外,還有調(diào)整SiNx減反層的性質(zhì)來增加太陽能電池的抗PID能力,比如,在沉積過程中調(diào)整硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)的氣體比例來改變薄膜中的Si/N比例。隨著Si/N比例的增加,SiNx薄膜的折射率和電導(dǎo)率在增加,并且減少了正電荷在SiNx薄膜中的積累,從而降低了晶體硅太陽能電池對PID現(xiàn)象的敏感性。Gou等[51]研究了SiNx減反膜的折射率對太陽能電池PID現(xiàn)象的影響規(guī)律,結(jié)果表明,增加SiNx減反膜的折射率可以增加太陽能電池抗PID的能力。當(dāng)SiNx減反膜的折射率從2.0變化到2.2時(shí),太陽能電池的功率衰減從29.27%減少到2.83%,可以看到SiNx減反膜的折射率為2.2時(shí)可以有效地減少PID現(xiàn)象。此外,在SiNx層下面插入一層SiOx也是另一種預(yù)防PID現(xiàn)象的方法[52-53]。Oh等[54]對PERC太陽能電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),嘗試在SiNx和pn結(jié)之間插入一層較薄SiOx層來減緩PID現(xiàn)象。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在經(jīng)過96 h的PID處理后,未插入SiOx薄層的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(Eff)衰減最大,達(dá)到了4.44%,而經(jīng)過改進(jìn)后的PERC太陽能電池的Eff僅衰減0.04%,大幅減少了PERC太陽能電池對PID的敏感性。

2)從組件層面來看,可以考慮加入高電阻率的材料來增加漏電流流通的阻力,從而減緩PID造成的不利影響[55]。比如,提高光伏封裝膠膜乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的體積電阻率及降低離子遷移率。在PID的產(chǎn)生機(jī)理中,濕度的增大也對PID有加劇的作用。因此,在太陽能電池制作成組件時(shí),對于光伏封裝膠膜、背板及密封硅膠的選擇應(yīng)當(dāng)考慮其阻水性能,盡量降低水汽滲透進(jìn)太陽能電池中。比如在N型晶體硅太陽能電池組件中,采用高阻、阻水性強(qiáng)的聚烯烴彈性體(POE)或者多層復(fù)合光伏封裝膠膜EVA/POE/EVA代替EVA。Luo等[56]采用阻水性比較好的POE來替代EVA作為光伏組件的封裝膠膜,在經(jīng)過PID處理后,采用EVA膠膜的組件功率衰減達(dá)到12%,相應(yīng)的漏電電流為(1.75±0.07) μA·m-2,而采用POE膠膜的組件功率衰減明顯減少(約4.5%),相應(yīng)的漏電電流也減少為(1.05±0.06) μA·m-2?？梢?采用高阻、阻水性強(qiáng)的膠膜可以較好地緩解或最小化PID現(xiàn)象帶來的功率衰減問題。背板是太陽能電池組件背面的外層材料,它可將內(nèi)部與外界環(huán)境隔離,實(shí)現(xiàn)電絕緣。比如,采用高阻性的背板或?qū)Ρ嘲暹M(jìn)行改性,引入復(fù)合型背板來進(jìn)一步降低PID帶來的風(fēng)險(xiǎn),使組件能夠長期運(yùn)行。密封硅膠具有密封層壓件,防止水分滲透、接觸EVA,保護(hù)組件被腐蝕等功能。在太陽能電池組件中可以引入高密封性能的丁基膠進(jìn)一步降低水汽的侵入,減少由PID帶來的功率損耗。另外,由于Na+是影響太陽能電池的PID現(xiàn)象的一個(gè)重要因素[57-59],玻璃的材質(zhì)對PID現(xiàn)象具有較大的影響。生產(chǎn)太陽能電池組件時(shí),一般選用低成本的鈉鈣玻璃,但這種玻璃中Na含量高并且鈉離子是決定體電阻的主要因素。為了減緩PID現(xiàn)象,可用能抗PID的玻璃(比如石英玻璃、硼硅酸鹽玻璃或化學(xué)鋼化玻璃)替換常用的鈉鈣玻璃。Oh等[60]在常規(guī)的玻璃蓋板和鋁邊框之間加入一層較薄、較高體電阻且抗PID的柔性康寧楊柳玻璃板來減緩PID現(xiàn)象。它主要是通過破壞從電池到接地的鋁邊框的漏電流的流經(jīng)途徑來防止PID,結(jié)果表明采用這種材料的光伏組件在-600 V的偏壓下處理5 h后,其輸出功率僅僅衰減1%,明顯低于未加入康寧楊柳玻璃板組件的功率衰減(>10%)。但是,玻璃材料的更換帶來的成本升高是一個(gè)需要考慮的問題。

3)從光伏系統(tǒng)層面來看,系統(tǒng)在運(yùn)行中的偏置電壓是PID現(xiàn)象發(fā)生的先決條件[61-62]。可以嘗試把串聯(lián)組件的負(fù)極接地或在晚間對組件和大地之間施加正電壓。在逆變器端,設(shè)計(jì)高度可靠的負(fù)極接地策略(即絕緣阻抗監(jiān)測+漏電流檢測)來緩解PID現(xiàn)象帶來的功率損失,也可防止漏電流問題造成安全事故,保證了在系統(tǒng)出現(xiàn)過電流時(shí)能夠可靠工作,保障現(xiàn)場運(yùn)維人員及設(shè)備安全。微逆變器是降低光伏系統(tǒng)PID現(xiàn)象的一個(gè)新的趨勢。Nagel等[63]采用單塊光伏組件與微逆變器連接的方法來降低系統(tǒng)的PID現(xiàn)象,這種方式的特點(diǎn)是組件間并聯(lián)接入電網(wǎng),無直流電壓的疊加效應(yīng)且直流端電壓約為30 V,這種較低的電壓基本不會在光伏組件的蓋板玻璃、封裝材料、邊框之間產(chǎn)生PID現(xiàn)象,因此能大幅減弱光伏組件的PID現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,研究太陽能電池的穩(wěn)定性和衰減問題變得日益重要。作為太陽能電池光伏組件中重要的一種失效機(jī)制,PID現(xiàn)象近年來得到了足夠的重視。首先,在光伏系統(tǒng)中,PID的影響因素較多,從大的方面來看,包括太陽能電池、組件及系統(tǒng)本身三個(gè)維度。對于結(jié)構(gòu)不同的太陽能電池,其PID機(jī)理也是不一樣的。通常,在P型晶體硅太陽能電池、N型晶體硅太陽能電池及薄膜太陽能電池中占主導(dǎo)的PID機(jī)制分別為漏電型PID、極化型PID和腐蝕型PID。其次,不論是晶體硅太陽能電池還是薄膜太陽能電池,其衰減過程都與Na+具有密切聯(lián)系。最后,對于PID現(xiàn)象的防治需要從太陽能電池、組件和系統(tǒng)自身分別提出改善措施,這也為光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行提供保障。